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双馈系风力发电机塔上典型失效模式分析与研究
【摘要】：双馈系列机组在风电设备中占有很大比重，由于运行工况恶劣复杂，导致双馈异步电机的故障类型呈现多样性，本文基于北京京城新能源（酒泉）装备有限公司该系列发电机维修经验积累的前提下，对电机维修过程中较为突出和常见的损坏失效状态进行阐述与分析。 【关键词】：风力发电 双馈电机 绕组 失效模式
双馈电机运行时机械、电气、磁路、通风散热等系统等相互关联，涉及电、机、磁、力等物理化学过程。从故障机理可知，双馈异步电机处于异常运行或故障状态时，必然会引起一些电气量(电流、电压、功率、转矩等)或非电气量(光、声、热量、振动等)的变化，这些变化是检测和判断故障类型、程度的重要资料 。从电机结构来看，分为定子故障、转子故障、轴承故障和气隙偏心故障等，其中轴承部分故障
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占40％，定子部分为38％，转子部分为10。
1、轴承本体损坏及引起的关联故障 1.1轴承本体故障及监测方法
轴承故障分为内圈故障、外圈故障、滚动体故障以及保持架故障，上述故障发生会产生周期性冲击，从而触发振动测量传感器信号，通过对振动信号的分析提取故障源信号，最终诊断出轴承故障。
通过轴承故障 电机转轴振动 气隙振动 气隙磁通受到调制 定子绕组内感生出谐波电流。所以通过对定子电流的信号分析处理来诊断轴承故障也是一种检测手段。
1.2轴承震动引起轴颈或端盖损伤
轴承振动分机械装配方面和电磁方面引起电动机振动，造成电机端盖与轴承外圈配合间隙增大；引起轴承振动，造成电机轴颈与端盖损坏。
图1 轴颈损伤及端盖损伤
如图1所示，轴颈与轴承内圈配合处，端盖与轴承外圈配合处均因震动原因产生较深划痕，磨损严重，需经补焊并重新加工后才能继续装配使用。
产生上述磨损的原因分析：1)发电机地脚紧固松动；发电机对中超差；转轴弯曲变形；定、转子铁芯磁不同心；转子动平衡不良等；2)轴承端盖内孔与轴承外圈配合不当。轴承外圆与端盖孔的配合采用基轴
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制，采用j6，j7配合；内圈与轴过盈配合，在施加负荷时不会在内圈与轴配合表面上产生滚动或滑动。不旋转外圈常采用间隙或过擅不大的配合。配合不当会导致震动产生，进而发生损坏；3)电磁方面主要是不平衡运行，例如：定子绕组某一相或两相接线头松动，或开关中有一相或两相触头接触不良；定子绕组有一相或两相发生短路或断路；外电路三相负载不平衡均会引起发电机不对称运行导致轴承振动。
1.3轴与集电环的电腐蚀现象
电机修理过程中发现轴摩擦表面凹坑是电机的常见故障之一，该故障可使轴承烧死电机无法运行，且严重损坏电机转轴与轴承接触表面，致使转轴与轴承报废。电机在出厂前进行了严格试验，轴承振动、温升、噪音各项指标均检测合格，轴承烧死与轴表面凹坑的原因何在？电机在运行一段时间后，转轴轴承位
表面经常出现许多小而深的圆形蚀点，排除轴承本身质量、轴承安装和碳刷摩擦的原因，另一个重要的因素就是轴电压的存在。
轴电压通常8-10V左右，旋转电机在运行中产生轴电压的原因有轴交链交变磁通和静电荷积累两种,
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双馈机组多采用滚动轴承，轴电流的损伤更加严重，只有轴电流低于1A时，一般滚动轴承才能稳定运行。
图2 轴表面轴承位电腐蚀
一般来说轴两端只会存在很小的电位差，倘若存在较高的电位差，就要从设计原因、制造缺陷、产生故障和电源条件进行考虑排查。轴电压对电机的损伤是通过电流造成的，轴表面与轴承内圈表面产生电弧放电产生蚀点，如图2所示，随着电机运行，电压升高，电流会击穿轴承内外圈之间的油膜，进而在轴、轴承内圈、轴承室、轴承外圈之间构成一个电流回路。电流不但破坏了油膜的稳定性，还破坏了轴与轴承的过盈配合；
鉴于上述问题的存在，目前风电机组中比较实用的解决方法是：1.电机设计生产过程中轴上增加了接地碳刷或铜刷，并对已经运行的机组进行塔上增加接地技术改造；2.从设计上制造绝缘轴承室，涂绝缘涂
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层或安装绝缘轴套，杜绝电流回路的产生。
1.4集电环的电腐蚀现象
电腐蚀的最终后果是集电环表面由于电火花而灼伤，表面凸凹不平。因此通过改变集电环的金属材质，采用高导电性、耐高温、耐腐蚀的合金材料可有效抑制电腐蚀的发生。但由于受集电环的安装工艺及成本限制，此方法很难实现。如图3所示，碳刷与集电环接触表面被破坏，导致碳刷更换周期变短成本上升。
图3 集电环摩擦表面电腐蚀
电腐蚀的直接原因为集电环与碳刷之间产生电火花，使集电环过热，从而烧灼集电环表面。为控制电火花的产生，应尽量减小集电环与碳刷之间的接触电阻。为防止集电环表面过热，应适当减小接触面的电流密度。为此可以选用大截面的碳刷，用以增加集电环与碳刷的接触面积，从而减小接触电阻及接触面的电流密度，同时选用高电流密度的碳刷，可有效抑制碳刷发热，同时增加了碳刷的耐磨性。
现场最有效的措施是更换碳刷，更换碳刷虽然没有解决问题的根源，但可有效抑制电腐蚀的发生，且现场很容易实现。同时结合定期用干燥的压缩空气吹扫碳刷支架及滑环凹槽，清理沉积的碳粉，从而减小滑环正负极之间的回路电流，可进一步抑制电腐蚀现象的发生，从而延长碳刷的更换周期，提高设备的运行可靠性。
2、其它故障引起的绕组损伤 2.1.雷击造成绕组损坏
雷电是自然界中雷云之间或是雷云与大地之间的一种放电现象，其特点是电压高、上升时间小，危害性大。即使避雷器保护，但雷击过电压对发电机所造成的损伤仍然不容忽视，特别是雷电压冲击对发电机
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绕组绝缘造成的损伤更为明显，最终可能导致严重事故。
图4 雷击造成的绕组损伤
如图4所示，在不考虑扫堂的情况下，发现定子与转子上存在两处及以上的大面积烧伤或击穿情况，需重点考虑雷击的因素，因为一般电气故障在一点击穿后，电机即停止运行，只有非常大的电流流过绕组才会出现两处以上的绝缘击穿现象存在。
2.2机械损伤造成绕组损坏
2.2.1平衡环断裂引起的绕组绝缘损伤
如图5所示，解体检查发现发电机轴伸端平衡环开裂脱圈，平衡环撞击定、转子线圈端部，造成定、转子线圈放炮，转子端部无纬带烧断，定子线圈绝缘层破损。分析原因：1)发电机平衡环材质或焊接质量或焊接位置存在问题；2)发电机长期在震动超标的状态下工作，造成平衡环最终在应力集中处开裂。
图5 平衡环断裂位置
2.2.2风扇断裂引起的绕组绝缘损伤
如图6所示，风扇的机械损伤产生的破坏方式与平衡环是一致的，且风扇断裂也常发生在焊缝处、部件连接部位、螺栓孔把何处等引力集中部位，同样会对定子与转子绕组产生巨大破坏，影响机组的正常运行。
图6 风扇断裂位置及绕组损伤
2.2.3异物窜入引起绝缘损伤
在发电机装配、检修、日常维护和运行过程中，倘若有导电体进入发电机绕组部位，将会产生放电，首先击穿绕组绝缘或产生扫膛，进而引起电机绕组绝缘的整体性损伤。危害极大。如图7所示。
图7 异物窜入引起扫膛
2.2.4绕组端部绝缘损伤
发电机运行过程当中，绕组的结构远比本体脆弱，发电机的机械损伤先破坏的必然是绕组，再引发电气故障。电气故障先烧损的也是绕组，绕组故障也就成了发电机的一个高频故障点，而绕组端部又是绕组的一个薄弱点。
定子绕组槽内部分固定可靠性高，但端接部分紧固条件比槽内差，突然短路的强大电磁力产生冲击，端接部分很容易受损伤；突然短路时气隙磁场变化不大，而定子电流却增加很多，于是将产生巨大的电磁转矩。由于定、转子绕组中都有周期性和非周期性电流，因此，由它们的磁场相互作用而产生的电磁转矩比较复杂，总起来说，该电磁转矩可分为单项转矩和交变转矩两大类。这些转矩都随相关的电流一起衰减，它们对电机危害最严重的情况发生在突然短路的瞬间，在不对称突然短路时，所产生的电磁转矩更大，可
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达额定转矩的10倍以上，这对对定子绕组会产生直接破坏。如图8所示：
图8 绕组端部损伤
2.2.5.引线故障
发电机组转子磁极引线多采用铜芯电缆，从集电环穿过发电机轴心孔与发电机磁极连接，在实际运行中经常发生磁极引线绝缘层破损，如图9所示：引线绝缘破损，铜线裸露有烧灼痕迹。
图9 引线故障引起的绕组损伤
发电机在运行中经常出现转子一点接地信号，停后信号消失。用1000Ｖ摇表测试转子对地绝缘，转子绝缘有 较大下降，只有2.5兆欧，但仍大于规范允许的最小值２兆欧。在一段时间内，这种状况反复出现，严重影响机组正常运行。分析故障原因判断：运行中转子一点接地信号反复出现，初步分析判断原因为：转子磁极或引线某点绝缘已破损。由于转子接地信号只在机组运转中出现，考虑到机组最高转速达到 1400r/min，很可能是磁极引线在高转速离心力作用下损伤，造成转子接地故障；或转子绝缘严重下降，影响电机正常运行，特别是高转速机组，这种故障频繁出现。
3．风力发电机日常维护建议
根据发电机常见故障建议对发电机做如下日常检查：
1)、定期检查轴承润滑、集电环磨损、同时检查发电机运行过程振动值，出现超标查找原因，建议三个月为周期进行检查。
2)、严格按照半年检、全年检要求调整发电机对中。
3)、建议增加塔上发电机解体及电气检查，或通过改造在发电机端盖加检修孔，消除机械、电气故障隐患。
4)、发电机运行过程出现同样故障报警，一定要上塔查找原因，手动复位。 4.结论：
发电机作为双馈系列风电机组的核心部件，与机组的发电效率、运行稳定性、产成效益息息相关，但同时发电机又是机组一个故障频发点，源于其复杂的结构和复杂的运行环境，以及塔上维修的局限性与塔下维修高额的成本，检修维护人员在精确维护的同时，更应注重掌握故障预兆与故障变现形式，进而最大限度的将发电机故障控制在一个可预测、可控、可消除的层面上，使其更高效的参与机组的运行。
参考文献：
[1]钱雅云,马宏忠.双馈异步电机故障诊断方法综述[J],河海大学能源与电气学院,《大电机技术》，2011,5 [2]马同胜,刘近坤,丁海荣,电动机端盖损坏的原因分析及处理方法,山东丰源通达电力有限公司,《科技传播》2011,7
[3]周文,唐建惠,康丽华,轴电流引起的电机轴承烧损事故分析,河北省电力研究院,《防爆电机》2010,1期,45卷
[4]王鑫,电机轴电流的分析,永济电机修配公司,2005年第1期《电机技术》
[5]马月姣,刘念,高瓴,候宝生,发电机雷电过电压的在线分析研究,四川大学,《云南电力技术》,第32卷,2004年8月
[6]党晓强,刘俊勇,杨可,雷霞,大型电机绕组电气故障分析,四川大学电气信息学院,《四川电力技术》,2005,5